自宅をLoRaWAN基地局にしてみた話①

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#はい、私の家は基地局です。
「基地局」と言われて何を思い浮かべるでしょうか？
多くの人が携帯キャリアの基地局を思い浮かべると思います。

基地局の定義からすると自宅の無線LANアクセスポイントも深く考えなければ親機にあたるわけで「基地局」と言っても過言ではないと思います。

**しかし！**

今回ご紹介する”LoRaWAN”は自宅内で使っている無線LANなど比べ物にならないほど電波の到達範囲が広い技術になっています。（よりガチっぽい基地局ですね）

本記事ではLoRaWANとはなんですか？といったところから、実際に私の自宅にLoRaWANの基地局を設置してみたところまでまとめてみました。その後の状況などはまた別記事にする予定です。

#LoRaWANってなに？
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LoRaWANは**LPWA(LPWAN)**と呼ばれる無線分類の一種です。

じゃあLPWA(LPWAN)とは？ということになりますが、LPWA(LPWAN)というのはLow-Power Wide-Area(Low-Power Wide-Area Network)の略語になります。
これは文字通り、**低消費電力（Low-Power）**で**広域通信(WAN)**を行うものであり、明確な定義というものは決まっていません。

LPWAに属するものとして、**SIGFOX**, **LTE-M**などがありますが、現在LPWAは各社独自の規格が乱立している状態で、密かに次世代の覇権争いが行われています・・・。

下の画像がわかりやすいのですが、各LPWA規格の比較となっています。
ちなみにですがLoRaWANが送ることができるペイロードは**11-242byte**と非常にデータ量が少ないです・・・。

![n3302080.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/225281/f20d7432-326d-3f59-2f9e-35ca8a4d11f6.png)
総務省 『平成29年版　情報通信白書』より引用
http://www.soumu.go.jp/johotsusintokei/whitepaper/ja/h29/html/nc133220.html

#LoRaWANの通信の仕組みってどうなってるの？
LoRaWANは構成要素として大きく5つにわかれています。

①センサーデバイス
②LoRaWANゲートウェイとインターネット接続用ネットワーク機器
③ネットワークサーバー（NS）
④アプリケーションサーバー（AS）
⑤表示用デバイス

<img width="1121" alt="スクリーンショット 2019-06-26 16.21.55.png" src="https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/225281/7fac106c-3055-2f66-fa49-cb479a4e1132.png">


**①センサーデバイス**
各種センサーによりデータを収集し、そのデータをLoRaにより無線で送信します。
送信だけでなく受信も可能なので、様々な使い方が想定されます。

**②LoRaWANゲートウェイとインターネット接続用ネットワーク機器**
LoRaの電波を送受信するゲートウェイとアンテナ、そしてそこからインターネット側に抜けるためのネットワーク機器が必要です。
これまで一般的な家庭にあるLAN環境、WiMAX2の無線LANルータなどから接続できることを確認しています。

**③ネットワークサーバー（NS）**
センサーデバイスからのデータやゲートウェイの情報、LoRaWANネットワークを管理するためのサーバーとしてネットワークサーバーが必要になります。
現在フランスのActilityや日本ではNECなどがネットワークサーバーの環境を提供しています。

**④アプリケーションサーバー（AS）**
ネットワークサーバーでは受信したデータを可視化する際、グラフなどのような可視化できるものが用意されていません。
そのため、アプリケーションサーバーを建てて送られてきたデータを加工することでユーザーにわかりやすく可視化する必要があります。

**⑤表示用デバイス**
アプリケーションサーバーで加工されたデータを見る端末が必要になります。
多くの場合はスマホのアプリであったりブラウザのGUIですね。

#なんでLoRaWAN？
最近5GやWi-Fi6など新しい通信規格に関するニュースを目にする機会が増えてきました。
IoT時代が到来する！と言われ、スマートスピーカーやスマートテレビなどインテリジェンス・ネットワーク・センサーが搭載されたデバイスが徐々に我々の生活にも入り込んできていると感じます。

今後この調子で身の回りにセンサーが増えるとどうなるか・・・？

多数の端末をキャリアネットワーク（SIM）や無線LAN配下で管理し、IPアドレスを用いて通信することって現実的ですか？という疑問が生まれます。

・　SIMを用いて通信を行うには当然キャリアとの契約が必要です。
　　→　これはかなりのコストになりますね・・・。
・　IP通信を行うにはそこそこの電力消費が必要で長期的な設置には大容量のバッテリーが必要です。
　　→　各デバイスに継続して電源を供給できる環境でないと長期設置は難しい・・・。
・　数百台・数千台のデバイスがつながると基地局・無線LANアクセスポイントのキャパシティの問題が・・・。

などといった課題が考えられます。

理論上LoRaWANはこれらの「**コスト**」・「**電力消費**」・「**キャパシティ**」の課題にうまく対応できそうだなと思えます。
そこで、これらの課題のソリューションとしてLoRaWANってどうなの？というのを検証してみました。

#自宅にLoRaWAN基地局を建ててみた
やってみないと始まらないよね、ということでまずは自宅にLoRaWAN基地局を建ててみることにしました。
LoRaWANは免許なども必要ないため、設置にあたり面倒なことは特にありません。

ネットワーク構成はこんな感じです。LoRaWANゲートウェイへの給電はPoEで行っています。

C841M　→　ルーター
Meraki MX64　→　セキュリティアプライアンス（FW+α）
Meraki MS220-8P　→　L2スイッチ（PoE機能付き）
Cisco IXM　→　LoRaWANゲートウェイ

<img width="606" alt="スクリーンショット 2019-06-26 14.02.17.png" src="https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/225281/41f63b03-2585-1096-3028-42649518f416.png">

実際の設置可像はこんな感じ（自宅なので外の風景はモザイク加工してます）↓
![図111.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/225281/a9963e9c-0c2b-9367-92cb-71c555eb2323.png)

窓際にLoRaWANゲートウェイとアンテナを設置しています。

本来はアンテナも屋上であったり見通しがいい場所に設置するのがいいようで、今回のように窓際に立てかけておくと電波の到達範囲にも影響が出ます・・・。（当然ですよね）

なにはともあれ、設置は基本的にインターネットにつなぐだけ。非常に簡単です。
この後ネットワークサーバーにゲートウェイの登録を行い、センサーも同様に登録すれば・・・。
晴れてLoRaWAN Lifeがスタートするということですね！

#次回予告
次回は今回ご紹介したLoRaWAN基地局にセンサーをつなげてみた話を記事にまとめたいと思います。
実際電波の届き具合はどれくらいだったのか？注意点は？などについて書く予定です。

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